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基于状态机的巡线机器人控制系统设计 |
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2.有限状态机设计
2.1 运动控制系统的有限状态机设计
运动控制系统中的运动保护及定位系统的典型时序如下图示：
图1 运动保护及定位系统时序与框图
从上面的是时序图可以看出，运动控制系统的时序显著的分为四段：第一段L1：为运动机构的左限位阶段。即当运动至左限位点时，控制系统应该停止电机并限制此方向运动。第二段L2：仅有机械手臂具有此段时序特征。当机械手以顺时针方向摆向垂直位置时，若到达垂直位置（sensor_m由高变低）则控制系统停止电机。但与限位不同，此时控制系统不可限制机构任意方向的运动。为了使得机械手到达垂直位置后仍可向左或向右运动，在我们的设计中引入另一控制量：电机的速度信号pwm。第三段L3：与第二段相同，也为机械手特有。当机械手以逆时针向垂直位置运动时，与顺时针时不同，它需要在传感器信号由低变高时方可停止电机，当然也不能限制机构任意方向的运动。第四段L4：为运动机构的右限位阶段，与第一段相似，当机构运动至右限位点时，控制系统需要自动停止电机并限制此方向的运动。
根据运动控制系统的典型时序特征，可以制定出相应的状态和状态转换条件：首先，设置初始化状态s0，系统上电或者复位后都自动进入该状态。上电时，在此状态对内部信号和输出进初始化。此状态也是系统默认的电机停止状态。正常运动的情况下，机构顺时针和逆时针分别对应两个状态s1和s2。当机构顺时针归零后，与限位不同，由于此时不可限制机构任意方向的运动，因而当pwm信号拉低后状态机需要进入状态s3,s3其实为一个过渡状态，通过s3,状态机可根据此时微处理器给出的控制信号进入s1和s2运行。同样，当机构逆时针归零时，与顺时针归零不同，它需要检测到中间位置传感器拉高后才能停止电机。所以当逆时针运动时，一旦检测到sensor_m变低，状态机即进入过渡状态s5,在此状态，若sensor_m变高，即意味着机构已经离开传感器区域，到达垂直位置，此时状态机进入状态s6。从上面的分析可以看出：对于顺时针和逆时针两种不同的状态下机构归零，我们分别设置了两个特殊的过渡状态集｛s3,s4｝和｛s5,s6｝。这主要是由于归零操作不同于限位。归零后，控制系统不能限制机构任何方向的运动，因而需要一个额外的控制输入作为归零后状态机状态转换的触发信号。根据上面的分析，可以得到状态机的状态转换图如下：
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